一种中空纤维复合膜的制备方法及其设备的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种中空纤维复合膜的制备方法及其设备，所述设备是由膜液储槽、中空纤维膜固定架、轴、连接器和减速电机等主要部件组成的旋转涂覆设备，中空纤维膜固定架为通过不锈钢轴连接的两个布满微孔的圆盘，中空纤维膜固定架的轴和减速电机由连接器相连。中空纤维复合膜制备方法为：将固定了中空纤维膜的中空纤维膜固定架浸置于膜液储槽内，涂覆聚合物膜液，然后在缓慢旋转状态下加热，从而将膜液涂覆在中空纤维膜外表面，得到中空纤维复合膜。本方法制得的中空纤维复合膜可用于渗透汽化、蒸汽渗透、气体分离等膜过程。
【专利说明】一种中空纤维复合膜的制备方法及其设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于膜分离过程的中空纤维复合膜的制备方法，本发明还涉及一种中空纤维复合膜的制备设备。
【背景技术】
[0002]近年来，膜技术的研究和应用得到迅猛发展。根据膜的形状，可分为平板膜、中空纤维膜和管式膜三种。中空纤维膜具有制备工艺简单，结构易于控制，单位体积内的膜面积最高等优点，因此广泛用于废水处理、超纯水制备、海水淡化、苦咸水淡化的预处理和膜生物反应器等领域。这些膜都是基于孔径大小差异的微滤、超滤膜。1974年，Henis用聚砜中空纤维超滤膜作支撑层，采用抽真空涂覆硅橡胶的方法制得了 N2/02分离的气体分离膜，这种膜耐高压，分离系数高，渗透通量大，从此开启了中空纤维复合膜的应用新领域。
[0003]中空纤维复合膜是在中空纤维超滤或微滤膜的外表面或内表面复合一层致密聚合物膜的新型膜材料。中空纤维超滤或微滤膜起支撑作用，内表面或外表面的致密聚合物膜层起分离作用，两者可以是相同材料，也可以是不同的材料。广泛应用于有机物渗透汽化脱水，液体混合物中挥发性有机物的回收、N2/02分离(气体分离)、水中微量有机污染物的脱除、有机/有机混合物分离等领域。
[0004]如何快速、便捷制得超薄活性分离层的中空纤维复合膜一直是膜研究学者追求的目标。郭勇(郭勇等，硅橡胶-聚砜中空纤维复合膜的制备及性能研究，膜科学与技术，2002, 22 (5): 58-60)等在实验室采用加压内涂法制备了聚二甲基硅氧烷/聚砜的中空纤维复合膜；李冰冰(李冰冰等，PDMS/PES中空纤维渗透汽化复合膜的制备，膜科学与技术，2009，29 (5): 29-32)等在聚醚砜中空纤维膜外表面涂覆一层聚二甲基硅氧烷制得中空纤维复合膜。这些方法都是属于物理涂覆，一次只能涂覆少量膜，并且涂覆后，由于膜液的流动性导致涂覆膜层厚度不均匀。因此膜研究学者尝试采用化学改性的方法在中空纤维膜内、夕卜表面进行活性分离层的制备。徐志康(Z.K.Xu, et al.Microporouspolypropylene hollow fiber membranes part I1:pervaporation separation ofwater/ethanol mixtures by the poly (acrylic acid) grafted membranes, J.Membr.Sc1.2003，214(1):71-81)等采用等离子聚合的方式在聚丙烯中空纤维超滤膜表面接枝聚丙烯酸，制得聚丙烯酸/聚丙烯中空纤维渗透汽化复合膜；谢景源(谢景源等，辐照交联制备聚甲基丙烯酸-N，N- 二甲氨基乙酯/聚砜中空纤维纳滤复合膜，天津工业大学学报，2008, 27(1): 1-4)用辐照交联法在聚砜中空纤维膜表面制备了聚甲基丙烯酸-N，N 二甲氨基乙酯/聚砜纳滤复合膜。化学改性制备中空纤维复合膜的方法虽然具有重现性好，膜结构易于控制，但是也存在改性单体数量有限等缺点，因此迫切需要找到一种快速、便捷、适合多种聚合物的中空纤维复合膜的制备新方法。
[0005]本发明是在ZL200610053745.X的基础上，通过设计一种旋转涂覆设备，将中空纤维膜平行的固定在带两个圆盘的中空纤维膜固定架上，然后浸入聚合物膜溶液中，用减速电机带动中空纤维膜固定架在膜液中旋转，从而将膜液涂覆在中空纤维膜外表面，然后将多于的膜液放出，粘附在中空纤维膜外表面的膜液沿着膜的中心轴旋转，从而使膜液在膜外表面均匀涂覆，通过加热和温控装置，让膜液中的溶剂挥发，使得膜液在中空纤维膜外表面形成一层均一的分离膜，从而得到中空纤维复合膜。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种中空纤维复合膜的制备方法，本发明的目的还在于提供一种中空纤维复合膜的制备设备，所述的设备是一种旋转涂覆设备。
[0007]本发明是这样来实现的。一种用于制备中空纤维复合膜的旋转涂覆设备，它包括膜液储槽、膜液储槽外罩、加热装置、中空纤维膜固定架、减速电机和连接器，其特征是中空纤维膜固定架由中空纤维膜固定盘和轴构成，所述轴穿过两个中空纤维膜固定盘中心的固定孔，中空纤维膜固定盘的位置用轴上的销钉固定；所述膜液储槽的下部设有膜液储槽阀门，所述膜液储槽的两端分别设有轴承；所述中空纤维膜固定架放置在膜液储槽内，由轴承支撑中空纤维膜固定架的轴，所述轴通过连接器与减速电机连接，膜液储槽外罩盖在膜液储槽上，膜液储槽外罩上设有加热装置。
[0008]所述中空纤维膜固定盘上布满微孔。
[0009]一种使用上述旋转涂覆设备制备中空纤维复合膜的方法，其步骤如下:
(1)将中空纤维膜从两个叠在一起的中空纤维膜固定盘中穿过；
(2)将两个叠在一起的中空纤维膜固定盘向中空纤维膜两端分开，到合适的长度后，把中空纤维膜固定架中的不锈钢轴从中空纤维膜固定盘中心的固定孔穿过，用销钉卡死；
(3)把中空纤维膜固定盘的端面用快干胶把中空纤维膜固定，保证膜平行排列，彼此间互不接触；
(4)把配置好的聚合物膜液倒入平放的半圆柱形的膜液储槽内；
(5)把固定了中空纤维膜的中空纤维膜固定架放入盛有聚合物膜液的膜液储槽内；
(6)把中空纤维膜固定架上的轴和减速电机用连接器连接起来；
(7)开启减速电机，调整l-50r/min的转速，让每根膜都涂覆上一层聚合物膜溶液；
(8)开启膜液储槽阀门，将多余的膜液从膜液储槽中放出，以备下次涂覆使用；并盖上膜液储槽外罩，开启加热装置，使膜液中的溶剂在30-100°C下挥发l_24h ；
(9)待膜液中的溶剂挥发完成后，关闭减速电机，把中空纤维膜固定架上的复合膜用剪刀剪下，进行膜组件的封装和性能测试。
[0010]本发明的技术效果:可以快速、便捷、适合多种聚合物制备中空纤维复合膜，膜层厚度通过控制浸没时间、膜液粘度、减速电机转速来实现。所制备的中空纤维复合膜厚度均匀，缺陷少，可用于渗透汽化、蒸汽渗透、气体分离等膜过程。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1.旋转涂膜设备示意图 图2.膜液储槽示意图
图3.中空纤维膜固定架及轴示意图 图4.中空纤维膜固定盘及膜固定示意图
图中:101—膜液储槽，102—膜液储槽外罩，2—轴承，3—膜液储槽阀门，4一加热装置，5一轴，6—销钉，7—中空纤维膜固定盘，8—中空纤维膜，9一减速电机，10一连接器。
【具体实施方式】
[0012]如图1至4所示，一种用于制备中空纤维复合膜的旋转涂覆设备，它包括膜液储槽(101)、膜液储槽外罩(102)、中空纤维膜固定架、加热装置(4)、减速电机(9)和连接器
(10)，其特征是中空纤维膜固定架由中空纤维膜固定盘(7)和轴(5)构成，所述轴(5)穿过两个中空纤维膜固定盘(7)中心的固定孔，中空纤维膜固定盘(7)的位置用轴(5)上的销钉(6)固定；所述膜液储槽(101)的下部设有膜液储槽阀门(3)，所述膜液储槽(101)的两端分别设有轴承(2);所述中空纤维膜固定架放置在膜液储槽(101)内，由轴承(2)支撑中空纤维膜固定架的轴(5)，所述轴(5)通过连接器(10)与减速电机(9)连接，膜液储槽外罩
(102)盖在膜液储槽(101)上，膜液储槽外罩(102)上设有加热装置(4)。所述中空纤维膜固定盘(7)上布满微孔。
[0013]一种使用上述旋转涂覆设备制备中空纤维复合膜的方法，其步骤如下:
(1)将中空纤维膜(8)从两个叠在一起的中空纤维膜固定盘(7)中穿过；
(2)将两个叠在一起的中空纤维膜固定盘(7)向中空纤维膜(8)两端分开，到合适的长度后，把中空纤维膜固定架中的不锈钢轴(5)从中空纤维膜固定盘(7)中心的固定孔穿过，用销钉(6)卡死；
(3)把中空纤维膜固定盘(7)的端面用快干胶把中空纤维膜(8)固定，保证膜平行排列，彼此间互不接触；
(4)把配置好的聚合物膜液倒入平放的半圆柱形的膜液储槽(101)内；
(5)把固定了中空纤维膜(8)的中空纤维膜固定架放入盛有聚合物膜液的膜液储槽
(101)内；
(6)把中空纤维膜固定架上的轴(5)和减速电机(9)用连接器(10)连接起来；
(7)开启减速电机(9)，调整l-50r/min的转速，让每根膜都涂覆上一层聚合物膜溶液；
(8)开启膜液储槽阀门(3)，将多余的膜液从膜液储槽(101)中放出，以备下次涂覆使用；并盖上膜液储槽外罩(102)，开启加热装置(4)，使膜液中的溶剂在30-100°C下挥发
l-24h ；
(9)待膜液中的溶剂挥发完成后，关闭减速电机(9)，把中空纤维膜固定架上的复合膜用剪刀剪下，进行膜组件的封装和性能测试。
[0014]实施例1
将500根聚丙烯腈中空纤维膜(8)从两个叠在一起的中空纤维膜固定盘(7)上的孔中穿过，然后将两个中空纤维膜固定盘(7)向中空纤维膜(8)两端拉伸至80cm，然后将轴(5)从中空纤维膜固定盘(7)上的孔中穿过，到达80cm长的地方，用轴(5)上的销钉(6)固定住；然后在中空纤维膜固定盘(7)两端面上倒一层快干胶，把中空纤维膜固定在中空纤维膜固定盘(7)上。将用去离子水按10%浓度配好的聚乙烯醇膜溶液倒入膜液储槽(101)内，倒入之前，先关闭膜液储槽(101)下端的膜液储槽阀门(3)。然后将固定了聚丙烯腈中空纤维膜(8 )的固定架的轴(5 )放在膜液储槽(101)中的两个轴承(2 )上，用连接器(10 )将中空纤维膜固定架和减速电机(9)连接起来。开启减速电机(9)电源开关，并调节减速电机(9)的转速为lOr/min，当每根中空纤维膜(8)都涂覆了膜液后，打开膜液储槽(101)下端的膜液储槽阀门(3 )，放出其中剩余的聚乙烯醇溶液；然后盖上膜液储槽外罩(102)，设定干燥温度为70°C，开启加热装置(4)，调节减速电机(9)转速为20r/min，干燥5h后，打开膜液储槽外罩(102)，根据中空纤维膜(8)涂覆的实际情况决定是否进行二次涂覆。涂覆完成后，用剪刀将聚乙烯醇/聚丙烯腈中空纤维复合膜从固定盘上剪下，进行膜组件的封装。
[0015]实施例2
将300根聚砜中空纤维膜(8)从两个叠在一起的两个中空纤维膜固定盘(7)上的孔中穿过，然后将两个中空纤维膜固定盘(7)向中空纤维膜(8)两端拉伸至100cm，然后将轴(5)从中空纤维膜固定盘(7)上的孔中穿过，到达IOOcm长的地方，用轴(5)上的销钉(6)固定住；然后在中空纤维膜固定盘(7)两端面上倒一层快干胶，把中空纤维膜(8)固定在中空纤维膜固定盘(7)上。将用正己烷水按15%浓度配好的聚二甲基硅氧烷膜溶液倒入膜液储槽
(101)内，倒入之前，先关闭膜液储槽阀门(3)。然后将固定了聚砜中空纤维膜(8)的固定架的轴(5)放在膜液储槽(101)中的两个轴承(2)上，用连接器(10)将中空纤维膜固定架和减速电机(9)连接起来。开启减速电机(9)电源开关，并调节减速电机(9)的转速为5r/min，当每根中空纤维膜(8)都涂覆了膜液后，打开膜液储槽阀门(3)，放出其中剩余的聚二甲基硅氧烷溶液；然后盖上膜液储槽外罩(102)，设定干燥温度为40°C，开启加热装置(4)，调节减速电机转速为20r/min，干燥20h后，打开膜液储槽外罩(102)，根据膜涂覆的实际情况决定是否进行二次涂覆。涂覆完成后，用剪刀将聚二甲基硅氧烷/聚砜中空纤维复合膜从固定盘上剪下，进行膜组件的封装。
[0016]实施例3
将100根Al2O3中空纤维膜(8)从两个叠在一起的中空纤维膜固定盘(7)上的孔中穿过，然后将两个中空纤维膜固定盘(7)向中空纤维膜(8)两端拉伸至60cm，然后将轴(5)从中空纤维膜固定盘(7)上的孔中穿过，到达60cm长的地方，用轴(5)上的销钉(6)固定住；然后在中空纤维膜固定盘(7)两端面上倒一层快干胶，把中空纤维膜(8)固定在中空纤维膜固定盘(7)上。将用四氢呋喃按12%浓度配好的聚氨酯膜溶液倒入膜液储槽(I)内，倒入之前，先关闭膜液储槽阀门(3)。然后将固定了 Al2O3中空纤维膜(8)的固定架的轴(5)放在膜液储槽(I)中的两个轴承(2)上，用连接器(10)将中空纤维膜固定架和减速电机(9)连接起来。开启减速电机(9)电源开关,并调节减速电机转速为10r/min,当每根膜都涂覆了膜液后，打开膜液储槽阀门(3 )，放出其中剩余的聚氨酯膜溶液；然后盖上膜液储槽外罩
(102)，设定干燥温度为30°C，开启加热装置(4)，调节减速电机转速为30r/min，干燥2h后，打开膜液储槽外罩(102)，根据膜涂覆的实际情况决定是否进行二次涂覆。涂覆完成后，将聚氨酯/Al2O3中空纤维复合膜从固定盘上取下，进行膜组件的封装。
【权利要求】
1.一种中空纤维复合膜的制备方法，其特征是把中空纤维膜固定在旋转涂覆设备上，向旋转涂覆设备内加入聚合物膜溶液，通过电机带动使中空纤维膜旋转，将聚合物膜溶液涂覆在中空纤维膜外表面，然后排出旋转涂覆设备内残余的聚合物膜溶液，加热烘干中空纤维膜外表面的聚合物膜溶液，待膜表面附着的膜液中溶剂完全挥发后，得到中空纤维复合膜。
2.一种用于制备中空纤维复合膜的旋转涂覆设备，它包括膜液储槽、膜液储槽外罩、中空纤维膜固定架、加热装置、减速电机和连接器，其特征是中空纤维膜固定架由中空纤维膜固定盘和轴构成，所述轴穿过两个中空纤维膜固定盘中心的固定孔，中空纤维膜固定盘的位置用轴上的销钉固定；所述膜液储槽的下部设有膜液储槽阀门，所述膜液储槽的两端分别设有轴承；所述中空纤维膜固定架放置在膜液储槽内，由轴承支撑中空纤维膜固定架的轴，所述轴通过连接器与减速电机连接，膜液储槽外罩盖在膜液储槽上，膜液储槽外罩上设有加热装置。
3.根据权利要求2所述的用于制备中空纤维复合膜的旋转涂覆设备，其特征是所述中空纤维膜固定盘上布满微孔。
4.根据权利要求1所述的一种中空纤维复合膜的制备方法，其特征是使用权利要求2所述的旋转涂覆设备制备中空纤维复合膜，具体步骤如下: 将中空纤维膜从两个叠在一起的中空纤维膜固定盘中穿过； 将两个叠在一起的中空纤维膜固定盘向中空纤维膜两端分开，到合适的长度后，把中空纤维膜固定架中的不锈钢轴从中空纤维膜固定盘中心的固定孔穿过，用销钉卡死； 把中空纤维膜固定盘的端面用快干胶把中空纤维膜固定，保证膜平行排列，彼此间互不接触； 把配置好的聚合物膜液倒入平放的半圆柱形的膜液储槽内； 把固定了中空纤维膜的中空纤维膜固定架放入盛有聚合物膜液的膜液储槽内； 把中空纤维膜固定架上的轴和减速电机用连接器连接起来； 开启减速电机，调整l-50r/min的转速，让每根膜都涂覆上一层聚合物膜溶液； 开启膜液储槽阀门，将多余的膜液从膜液储槽中放出，以备下次涂覆使用；并盖上膜液储槽外罩，开启加热装置，使膜液中的溶剂在30-100°C下挥发l_24h ； 待膜液中的溶剂挥发完成后，关闭减速电机，把中空纤维膜固定架上的复合膜用剪刀剪下，进行膜组件的封装和性能测试。
【文档编号】B01D69/08GK103752181SQ201410002960
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月3日 优先权日:2014年1月3日
【发明者】马驰远, 董永全, 舒自学, 魏文静, 万婷, 孔颖, 许慧敏 申请人:南昌航空大学